Rediseño de la vida para producir etanol

El 31 de enero, Ari Patrinos estaba sentado en su sala de estar en Rockville, MD, escuchando el discurso del Estado de la Unión y cabeceando lentamente. De repente, se despertó de un sobresalto.

Las colonias de bacterias Streptomyces recombinantes están diseñadas para producir enzimas llamadas celulasas. Con estas enzimas, las bacterias pueden descomponer la celulosa en el camino hacia la producción de etanol. (Cortesía de NREL / Departamento de Energía de EE. UU. / Investigadores fotográficos)

También financiaremos investigaciones adicionales para métodos de vanguardia de producción de etanol, decía el presidente Bush en la televisión, no solo a partir del maíz, sino también a partir de astillas y tallos de madera o pasto varilla. Nuestro objetivo es hacer que este nuevo tipo de etanol sea práctico y competitivo en seis años.

Esta historia fue parte de nuestro número de julio de 2006

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A diferencia de la mayoría de los legisladores que aplaudieron valientemente las palabras del presidente, Patrinos entendió exactamente lo que querían decir. De hecho, él mismo los había matado días antes a petición apresurada de su jefe, sin saber que estaban destinados al discurso del Estado de la Unión. Patrinos, entonces director asociado de la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental del Departamento de Energía de EE. UU., Había estado promocionando el etanol celulósico como una fuente de energía alternativa durante años, solo para ser recibido con indiferencia o ridículo. Ahora, al parecer, incluso los políticos más favorables a los petroleros estaban convencidos.

La producción de combustible de etanol a partir de biomasa es atractiva por varias razones. En un momento en el que los precios del gas se disparan y las preocupaciones sobre la disponibilidad a largo plazo de petróleo extranjero, el suministro interno de materias primas para fabricar biocombustibles parece casi ilimitado. Mientras tanto, se prevé que la cantidad de dióxido de carbono vertido a la atmósfera anualmente por la quema de combustibles fósiles aumente en todo el mundo de alrededor de 24 mil millones de toneladas métricas en 2002 a 33 mil millones de toneladas métricas en 2015. Quemar un galón de etanol, por otro lado, agrega poco al carbono total en la atmósfera, ya que el dióxido de carbono emitido en el proceso es aproximadamente igual a la cantidad absorbida por las plantas utilizadas para producir el siguiente galón.

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Usar etanol como combustible para automóviles no es una idea nueva (ver Recompensa de Brasil) . Desde la crisis energética de principios de la década de 1970, los incentivos fiscales han impulsado la producción de etanol; en 2005, alcanzó los cuatro mil millones de galones al año. Pero eso todavía se traduce en solo el 3 por ciento del combustible en los tanques de gasolina estadounidenses. Una de las razones del uso limitado del etanol es que en los Estados Unidos se elabora casi exclusivamente a partir de almidón de maíz; el proceso es ineficiente y compite con otros usos agrícolas del maíz. Si bien es relativamente fácil convertir el almidón de los granos de maíz en los azúcares necesarios para producir etanol, el rendimiento de combustible es bajo en comparación con la cantidad de energía que se utiliza para cultivar y cosechar los cultivos. El procesamiento de etanol a partir de celulosa (paja de trigo y arroz, pasto varilla, pulpa de papel, productos de desecho agrícolas como mazorcas y hojas de maíz) tiene el potencial de exprimir al menos el doble de combustible de la misma área de tierra, porque hay mucha más biomasa disponible por acre. Además, un enfoque de este tipo utilizaría materias primas que, de otro modo, no tendrían ningún valor en esencia.

La conversión de celulosa en etanol implica dos pasos fundamentales: romper las largas cadenas de moléculas de celulosa en glucosa y otros azúcares y fermentar esos azúcares en etanol. En la naturaleza, estos procesos son realizados por diferentes organismos: hongos y bacterias que utilizan enzimas (celulasas) para liberar el azúcar en la celulosa, y otros microbios, principalmente levaduras, que fermentan los azúcares en alcohol.

En 2004, Iogen, una empresa de biotecnología canadiense con sede en Ottawa, comenzó a vender cantidades modestas de etanol celulósico, elaborado con paja de trigo común como materia prima y un hongo tropical mejorado genéticamente para hiperproducir sus enzimas que digieren la celulosa. Pero Iogen estima que su primera planta comercial a gran escala, cuya construcción espera comenzar en 2007, costará 300 millones de dólares, cinco veces el costo de una instalación de etanol convencional alimentada con maíz de tamaño similar.

Cuanto más se pueda jugar con los microbios productores de etanol para reducir el número de pasos en el proceso de conversión, menores serán los costos y antes el etanol celulósico se volverá comercialmente competitivo. En la producción convencional, por ejemplo, el etanol debe eliminarse continuamente de los reactores de fermentación, porque las levaduras no pueden tolerarlo demasiado. Greg Stephanopoulos, profesor de ingeniería química del MIT, ha desarrollado una levadura que puede tolerar un 50 por ciento más de etanol. Pero, dice, dicha ingeniería genética implica más que simplemente empalmar uno o dos genes. La cuestión no es si podemos crear un organismo que produzca etanol, dice Stephanopoulos. Así es como podemos diseñar toda una red de reacciones para convertir diferentes azúcares en etanol con altos rendimientos y productividades. La tolerancia al etanol es una propiedad del sistema, no un solo gen. Si queremos aumentar el rendimiento global, tenemos que manipular muchos genes al mismo tiempo.

El organismo ideal lo haría todo: descomponer la celulosa como una bacteria, fermentar el azúcar como una levadura, tolerar altas concentraciones de etanol y dedicar la mayor parte de sus recursos metabólicos a producir solo etanol. Hay dos estrategias para crear un error tan polivalente. Una es modificar un microbio existente agregando rutas genéticas deseadas de otros organismos y eliminando las indeseables; la otra es comenzar con la pizarra limpia de una célula sintética reducida y construir un genoma personalizado casi desde cero.

Lee Lynd, profesor de ingeniería en la Universidad de Dartmouth, apuesta por el primer enfoque. Él y sus colegas quieren fusionar los muchos pasos biológicamente mediados involucrados en la producción de etanol en uno solo. Este es un avance potencialmente revolucionario en el procesamiento de bajo costo de biomasa celulósica, dice. La estrategia podría implicar modificar un organismo que metaboliza naturalmente la celulosa para que produzca altos rendimientos de etanol, o diseñar un productor de etanol natural para que metabolice la celulosa.

Este mes de mayo, Lynd y sus colegas informaron avances en ambos frentes. Un equipo de la Universidad de Stellenbosch en Sudáfrica que había colaborado con Lynd anunció que había diseñado una levadura que puede sobrevivir solo con celulosa, rompiendo las moléculas complejas y fermentando los azúcares simples resultantes en etanol. Al mismo tiempo, el grupo de Lynd informó haber diseñado una bacteria termófila, una que vive naturalmente en ambientes de alta temperatura, cuyo único producto de fermentación es el etanol. Se han diseñado otros organismos para realizar juegos de manos similares a temperaturas normales, pero el microbio recombinante de Lynd lo hace a altas temperaturas donde las celulasas comerciales funcionan mejor. Estamos mucho más cerca del uso comercial de lo que la gente piensa, dice Lynd, quien comercializa tecnología avanzada de etanol en Mascoma, una startup en Cambridge, MA.

Otros están siguiendo un enfoque mucho más radical. Poco después del discurso del Estado de la Unión, Patrinos dejó el DOE para convertirse en presidente de Synthetic Genomics, una startup en Rockville, MD, fundada por Craig Venter, el biólogo iconoclasta que dirigió el esfuerzo privado para decodificar el genoma humano. Synthetic Genomics está en la búsqueda de una bacteria que haga todo, como dice Venter. Con fondos de Synthetic Genomics, los científicos del Instituto J. Craig Venter están agregando y restando genes de organismos naturales utilizando técnicas recombinantes empleadas por otros ingenieros microbianos. Sin embargo, a la larga, Venter cuenta con un enfoque más acorde con su reputación como pionero. En lugar de modificar los organismos existentes para producir etanol y otros biocombustibles potenciales, quiere construir otros nuevos.

La selección natural, argumenta Venter, no diseña formas de vida para realizar de manera eficiente las múltiples funciones que codifican sus genes, y mucho menos para llevar a cabo una tarea dedicada como la producción de etanol. En consecuencia, una gran cantidad de esfuerzo y gasto se destina a descubrir cómo cerrar vías genéticas complejas, a menudo redundantes, que miles de millones de años de evolución han grabado en los organismos. ¿Por qué no comenzar con un genoma que tiene solo el número mínimo de genes necesarios para sustentar la vida y agregarle lo que necesita? Con una célula sintética, solo tienes las vías que quieres que estén allí, dice.

El enfoque de Synthetic Genomics se basa en una investigación que el Instituto de Investigación Genómica de Venter realizó sobre un microorganismo llamado Mycoplasma genitalium a finales de la década de 1990. El microbio, que habita en el tracto urinario humano, tiene solo 517 genes. Si bien ese es el genoma más pequeño visto en cualquier forma de vida conocida, los investigadores del grupo de Venter demostraron que el organismo podría sobrevivir incluso después de haber eliminado casi la mitad de sus genes codificadores de proteínas (algunos genes codifican no para proteínas sino para otras biomoléculas que realizan funciones reguladoras funciones dentro de la célula). Usando la secuencia de ADN de este genoma mínimo como guía, ahora están intentando sintetizar un cromosoma artificial que, insertado en una célula ahuecada, conducirá a una forma de vida viable. Una vez que superan este primer obstáculo, planean construir rutas genéticas sintetizadas y específicas de la tarea en el genoma, de manera muy similar a como se podría cargar software en el sistema operativo de una computadora. Sin embargo, en lugar de crear hojas de cálculo o procesar textos, este software de base biológica instruiría a la célula a descomponer la celulosa para producir etanol o realizar otras funciones útiles. Este es un campo totalmente nuevo al borde de la explosión, dice Venter.

Entre los biocombustibles, el etanol es el líder establecido, pero varios tipos de microbios también producen hidrógeno, metano, biodiésel e incluso electricidad, lo que significa que podrían modificarse genéticamente para producir más de estos recursos. En la Universidad de California, Berkeley, el bioingeniero Jay Keasling y sus colegas proponen diseñar organismos que bombeen un combustible que ningún microbio natural produce, uno que ofrece algunas ventajas atractivas sobre el etanol: la gasolina. Sus virtudes como combustible están probadas, por supuesto, y la capacidad de producirlo a partir de madera y papel de desecho, que Keasling cree que es factible, podría reducir la dependencia de los países del petróleo extranjero. Y a diferencia del etanol, que es soluble en agua y debe transportarse en camiones para que no recoja agua en las tuberías, el octanaje generado biológicamente podría transportarse económicamente por tuberías a los consumidores, al igual que el gas actual.

El etanol tiene un lugar, pero probablemente no sea el mejor combustible a largo plazo, dice Keasling. La gente lo ha estado usando durante mucho tiempo para hacer vino y cerveza. Pero no hay ninguna razón por la que tengamos que conformarnos con un combustible de 5.000 años.

A corto plazo, se necesitan algunos avances en biología e ingeniería antes de que los combustibles hechos a partir de biomasa sean prácticos y competitivos con los combustibles fósiles. Pero a largo plazo, dice Venter, estamos limitados principalmente por nuestra imaginación, no por los límites de la biología.

El libro más reciente de Jamie Shreeve es La guerra del genoma .

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